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这是一次姗姗来迟的相约，主角是一位90后PI，陈子博。
刚刚结束在加州理工学院 Michael Elowitz实验室博士后工作的他，不久前从美国的西海岸飞回到杭州，今天正式入职了西湖大学，担任生命科学学院生物编程实验室负责人。
陈子博
事实上，早在2018年，他从华盛顿大学博士毕业时，西湖大学就给了offer。
没有博士后经历直接被聘为助理教授，这在西湖大学很少见。
与这位90后博导同样引人注目的，是他的研究领域。
用从头设计的蛋白质进行分子回路的编程，这是非常新颖的研究方向，结合了生物学、电子信息学、人工智能等学科，起步不过三四年。
因为没人做过，所以极具挑战；也正因为没人做过，所以充满想象。
作为一切生命系统的物质基础，蛋白质是人类生命活动的主要承担者。
它由20种氨基酸按不同比例组合折叠而成，是组成人体一切细胞、组织的重要成分。
既然蛋白质如此重要，我们能否实现人工设计？
陈子博的研究由此展开。
所谓“蛋白质的从头设计”，即完全基于生物物理与生物化学原理，不依赖现有的天然蛋白质结构，从头搭建、设计具有全新结构和全新功能的蛋白质。
这是一个很酷的领域。陈子博说：“你可以创造一些自然界从来没有存在过的东西。”
他博士期间跟随的导师，华盛顿大学 David Baker 教授和 Frank DiMaio 教授，就是蛋白质设计领域的泰斗。
但仅仅做到这一步就可以了吗？
人工设计蛋白质在很多领域有广泛的应用前景，可很多功能靠单个蛋白质无法实现。就像电灯开关需要由电路来控制，而非单个元件可以做到。复杂功能的实现需要多个蛋白质联合作用，如何“串联”或者“并联”，至关重要。
陈子博尝试从头设计可编程且模块化相互作用的蛋白质。
蛋白质原本没有像DNA中碱基配对的法则，他和合作者们创新性地将DNA中A-T / G-C 碱基配对的结合特性借鉴到蛋白质氢键网络当中，做出了“蛋白质版本的碱基配对”，并第一次将此应用到人工设计蛋白质当中(Boyken et al., Science 2016)。
你可以想象成，有了这个配对法则，我们就可以将不同的蛋白质“焊接”在一起 (Chen et al., Nature 2018)。
不同蛋白质“焊接”在一起（插画/Demin Liu）
于是，一个更大胆的想象产生了：或许，我们可以像组装电路那样，把蛋白质也组装成细胞内的电路？
让我们来完整“演示”一下陈子博的“蛋白质电路设计”。
首先，制造元件。针对不同功能设计出自己所需要的蛋白质元件，所以能充分了解每个蛋白质的功能和结构；
其次，筛选元件。根据需要选择符合条件的蛋白，有些是天然的，有些则是人工设计的，然后对这些蛋白质进行改造，使它们在不影响原有功能的基础上，互相连接。
最后，拼接元件。利用“蛋白质版本的碱基配对”法则，将这些蛋白质“焊接”起来，形成蛋白质电路，并利用其进行计算。
这样，他就可以像电子工程师设计电路板一样，设计蛋白质电路了 (Chen et al., Science 2020; Chen and Elowitz, Cell 2021)。
细胞内的逻辑门（插画/Demin Liu）
看起来似乎很简单，但电子电路是经过一百多年的发展，才达到今天的水平，而蛋白质电路设计是一个才呱呱坠地的婴儿，它基于蛋白质人工设计的发展，又要同时结合电子信息学、人工智能等多学科，一切从零起步，难度可想而知。
从某种意义上而言，人体的每一个细胞都是一个超级计算机，接受数据、处理数据、输出数据，如此循环往复。如果在这个过程中出错或者天然细胞压根没有相应程序来识别处理某些特定数据，例如癌症的识别和诊断，那么人工设计的蛋白质电路或许可以修补这个“bug”。
听起来，是不是像为细胞加装了一个超级CPU？
正如硅基电路是电子计算机的基础，在陈子博眼里，蛋白质电路也可以组合设计出各种逻辑电路，成为一个细胞的CPU。
“每一个细胞的分裂、分化、功能的运行，依赖着细胞内天然的强大CPU，这个CPU里所存储的一些算法是通过自然选择而来的。我们现在想做的是，给细胞再安装一个自行设计的CPU，这样可以让细胞来执行一些我们的命令。”陈子博解释道，“并且这个CPU并不会干扰原有的CPU，可以相互独立运行。”
深度学习是模拟人脑的神经网络实现人工智能，陈子博研究的蛋白质电路同样借鉴了这个原理。而与深度学习动辄百万级别的参数相比，蛋白质电路的数据量要小得多。在陈子博的最近发表的一项研究成果中(Chen et al., bioRxiv 2022)，他设计了一个蛋白质电路，这个电路可以执行“赢家通吃”的神经网络计算，由8个起始蛋白质展开，涵盖了310个化学反应，在哺乳动物细胞中首次实现了类似神经网络的计算。
尽管蛋白质电路设计才刚刚起步，但陈子博相信，与硅基电路相比，它在生命健康领域有更广阔的的前景，因为生命体都是碳基的，那么，在细胞中加装一个碳基CPU，是否会比硅基CPU容易得多，且起到更好的效果？
尚待验证的是：蛋白质电路可以有多智能，它的智能上限在哪里？如何把这些碳基智能应用在生命健康领域？这是陈子博和他的团队需要探寻的答案。
如果你也对陈子博的研究感兴趣，欢迎访问他的实验室网站（https://chenlab.org/），了解更多有趣的内容。
陈子博实验室网站首页
当下，他们最紧迫的任务是招兵买马，广发“英雄帖”。
计算机、物理、化学、数学、生物学……
未来世界的想象，需要更多同行者的支持与努力。
陈子博
陈子博实验室致力于通过促进包容性、开放性、创造力和协作性，为科学职业发展提供一个良好的环境。实验室将传统的PI-Postdoc-Student组织架构替换为扁平的组织结构，所有声音都受到同等尊重。作为一个跨学科合作的实验室，实验室欢迎具有不同科学背景的研究者，包括但不限于生物学、计算机科学、电气工程、物理学、材料科学和化学。
实验室正在建设之中，诚邀博士生、助理研究员(Research scientist)、科研助理 (Research technician)、博士后加盟。具体需求请参见https://chenlab.org/page/join-us，并将英文申请材料以PDF附件形式发送至zibochen@westlake.edu.cn。
陈子博实验室为生物编程实验室，研究重点是通过从头设计蛋白质和蛋白质回路，使它们编码信息并在试管和细胞中对生物行为进行编程。实验室的研究项目从基础问题到实际应用，大致可以分为以下两个方向：
1. 使用蛋白质进行分子计算。设计蛋白质回路，使其在细胞内外进行可编程、高鲁棒性的计算，并且可预测地控制细胞功能。电路组件是使用Rosetta从头设计的蛋白质，以便在单分子水平上完全定制其功能。
2. 蛋白质的可编程自组装。自然界中的蛋白质能自组装成对细胞功能至关重要的三维多聚体结构。在大多数情况下，控制此类组装的“算法”写在相邻蛋白质之间的局部相互作用中，从而允许复杂结构从简单的构建块中自主产生。实验室从头设计类似的蛋白质，使其自组装成可自定义的多聚体结构，从而提供通用的超分子结构基序来控制和改变细胞功能。
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